Chuong 5 - Mạch dao động - kỹ thuật điện tử

Mạch tạo dao động
Chương 5
Mạch tạo dao động
5.1 Mạch tạo dao động điều hoà
5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động
5.1.2 Các mạch dao động RC
5.1.3 Các mạch dao động LC
5.1.4 Các mạch dao động sử dụng thạch anh
5.2 Mạch tạo xung
5.2.1 Mạch tạo dạng xung RC
5.2.2 Các chuyển mạch điện tử
5.2.3 Các mạch tạo xung
5.3 Mạch định thời 555
5.4 Mạch tạo dao động điều khiển điện áp VCO
5.1 Mạch tạo dao động điều hoà
5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động
5.1.2 Các mạch dao động RC
5.1.2 Các mạch dao động LC
5.1.3 Các mạch dao động sử dụng thạch anh
5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động

Mạch tạo dao động là mạch khi có nguồn
cấp (DC) nó tự làm việc tạo ra tín hiệu
dao động. Thường chia làm 2 loại
•
Tạo tín hiệu hình sin (dao động điều hoà) sẽ xét
trong phần 5.1
•
Tạo tín hiệu xung (răng cưa, tam giác, vuông ) sẽ
xét trong phần 5.2


Yêu cầu với một mạch tạo dao động là:
•
Tín hiệu ra có tần số và biên độ ổn định
•
Ổn định theo nhiệt độ, độ ẩm môi trường

Mạch tạo dao động cần 3 yếu tố:
•
Khuếch đại
•
Hồi tiếp dương
•
Khâu xác lập tần số

Khâu xác lập tần số sẽ xác định tần
số của tín hiệu do mạch dao động
tạo ra. Có thể dùng mạch LC, RC
hoặc phần tử áp điện thạch anh

Khâu khuếch đại duy trì độ ổn định
biên độ và tần số của tín hiệu tạo ra

Khâu hồi tiếp có thể chỉ gồm phần
tử thuần trở, thuần điện kháng hoặc
kết hợp cả 2 loại. Hệ số hồi tiếp (β)
được tính toán theo điện áp đầu ra.
5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động
Điều kiện dao động: 2 điều kiện:

Điều kiện cân bằng biên độ: Hệ số

khuếch đại vòng (tích của hệ số khuếch
đại khâu khuếch đại và khâu hồi tiếp)

Điều kiện cân bằng góc pha: Độ dịch pha
của vòng đóng (tổng góc dịch pha của
khâu khuếch đại và khâu hồi tiếp) phải là
số nguyên lần 2π. Tín hiệu hồi tiếp cùng
pha với tín hiệu vào nên khâu hồi tiếp
phải là hồi tiếp dương

4 loại chính mạch tạo dao động:
•
mạch dao động RC
•
mạch dao động LC
•
mạch dao động thạch anh
•
mạch dao động tổng hợp
Khối khuếch
đại
Khối hồi
tiếp
vi vo
vfb
ve
Khối khuếch
đại
Khối hồi
tiếp

vo
oifbie
vvvvv .
β
+=+=
( )
oiueuo
v.v.Kv.Kv
β+==
β−
==
.K1
K
v
v
K
u
u
i
o
1.K
u
=β
∞→
K
0v
i
=
0v
o

≠
1.K
u
≥β
5.1.2 Mạch dao động RC

Mạch dao động di pha

Mạch dao động cầu Wien

Mạch dao động T kép
5.1.2 Mạch dao động RC
Mạch dao động di pha

Tạo sóng sin tần số thấp
nhất trong dải âm tần, còn
gọi là mạch dao động RC

Mạch dao động di pha
thường dùng mạch khuếch
đại đảo (lệch pha 1800)
nên hệ thống hồi tiếp phải
lệch pha thêm 180o để tạo
hồi tiếp dương

Sơ đồ khối

Phương pháp phân tích mạch
dao động:


Viết phương trình tính hệ số
khuếch đại của mạch hồi tiếp β=
Uht/Ur

Rút gọn β thành dạng (a +j b)

Cho b = 0 để xác định tần số dao
động fo

Thay fo vào phương trình của bước
1 để xác định giá trị của β tại fo

Từ điều kiện cân bằng biên độ
Ku.β=1, xác định hệ số khuếch đại.
5.1.2 Mạch dao động RC
Mạch dao động di pha dùng BJT

Mỗi khâu RC trong mạng hồi tiếp tạo dịch pha 60o
cần 3 khâu RC tạo dịch pha 1800.

Mạch khuếch đại BJT kiểu E chung tạo dịch pha 1800

Hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp : β = v1 / v2 tiếp

Để mạch hồi tiếp có độ lệch pha 1800 thì cần có b = 0

Tại tần số f0 có β=-1/29

hệ thống hồi tiếp lệch pha 1800.


Điều kiện biên độ (Avβ) = 1  hệ số khuếch Av =29

Sơ đồ mạch

Khâu hồi tiếp
2 2 2 3 3 3
1 1
5 1 6
.
1
a j b
j
R C R C R C
β
ω ω ω
= =
+
   
− + −
 ÷  ÷
   
RC6
1
0
=
ω
RC
f
62
1

0
π
=
.
29
fe C
i
h R
Av
Z
= ≥
4 23 29
C
fe
C
R
R
h
R R
 
 
> + +
 ÷
 ÷
 
 
5.1.2 Mạch dao động RC
Mạch dao động di pha dùng Op-Amp

Tần số dao động


Điều kiện cân bằng biên
độ:

Sơ đồ mạch
RC
f
62
1
0
π
=
2
1
29
R
Av
R
= ≥

Cầu Wien gồm một khâu (R//C) và một khâu
(RntC) mắc nối tiếp với nhau

Mạch khuếch đại là mạch khuếch đại không đảo

Khâu hồi tiếp
5.1.2 Mạch dao động RC
Mạch tạo dao động cầu Wien

Hệ số truyền đạt của khâu hồi tiếp: β = v2/v1


Tại tần số dao động
ω
o có:
ω
2.R1.R2.C1.C2 – 1 = 0

Tại tần số dao động
ω
o có:

Nếu chọn : C1 = C2; R1 = R2 ta có β =1/3 và tần
số dao động
1
1 1 1 2
2 1
2
1
1 1 2 2 1 2 1 2 1 2
2
2 1 1
(1 )
/
1
( ) ( 1)
(1 )
R
j R C R C
v v
R

R C R C R C j R R C C
R
j C j R C
ω ω
β
ω ω
ω ω
+
= = =
+ + + −
+ +
+
2121
0
2121
.2
1
.
1
CCRR
f
CCRR
o
π
ω
=⇒=
1 2
1 1 2 2 1 2
R C
R C R C RC

β
=
+ +
0
1
2
f
RC
π
=
5.1.3 Mạch dao động LC

Có thể hoạt động ổn định tới tần số lên đến 1MHz.

Mạch dao động dịch pha không dùng được ở tần số cao do lúc đó tụ ổn
điện phải có điện dung rất nhỏ.

Để tạo sóng tần số cao thường đưa vào hệ thống hồi tiếp các mạch cộng
hưởng LC (song song hoặc nối tiếp).

Xét một số mạch
•
Mạch dao động Colpitts
•
Hartley
•
Clapp
•
Amstrong (mạch dao động ghép biến áp)
5.1.3 Mạch dao động LC

Mạch tạo dao động ghép biến áp (Amstrong)

Mạch dao động Amstrong dùng máy biến áp để
hồi tiếp một phần điện áp ra về đầu vào.

Trong mạch L1, C1 là khung tạo dao động, L2 là
cuộn lấy điện áp hồi tiếp về đầu vào.

Mạch khuếch đại BJT mắc theo kiểu E chung,
tạo góc lệch pha 1800, khung LC có góc lệch pha
là 00 nên biến áp phải cuốn ngược chiều để tạo
góc lệch pha 1800 nhằm thoả mãn điều kiện cân
bằng pha.

Có khả năng truyền tải công suất, được dùng tạo
dao động tần số cao, truyền thông tin đi xa.

Kích thước cồng kềnh và giá cả cao nên không
được thông dụng.

Sơ đồ mạch
1 1
1
2
o
f
L C
π
=
5.1.3 Mạch dao động LC

Mạch tạo dao động 3 điểm
Nguyên tắc chung Sơ đồ khối

Z1, Z2 , Z3 là 3 phần tử điện kháng tạo khung
dao động.

Hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp

Hệ số khuếch đại của mạch không hồi tiếp Av
< 0

Điều kiện dao động βAv ≥ 1

Tại tần số dao động : Z1 + Z2 + Z3 = 0

Sơ đồ khối

Khâu hồi tiếp
2
2 3
Z
Z Z
β
=
+
2
2 3
. 1
v
Z

A
Z Z
≥
+
2 1
1 2
. 1
v v
Z Z
A A
Z Z
− ≥ ⇒ ≤ −
5.1.3 Mạch dao động LC
Mạch tạo dao động 3 điểm
Phân loại

Tuỳ thuộc vào Z1, Z2 , Z3 là tụ điện hay
cuộn cảm và tính chất của mạch khuếch
đại mà ta có các mạch dao động sau:
Mạch dao động Z1 Z2 Z3 Mạch khuếch đại
Harley L L C Khuếch đại đảo
L C L Khuếch đại không đảo
Colpilts C C L Khuếch đại đảo
L C C Khuếch đại không đảo
Clapp C C L nt C Khuếch đại đảo
Pierce Crystal C C XTAL (L) Khuếch đại đảo
Mạch tạo dao động 3 điểm
Mạch Colpitts (mạch 3 điểm điện dung)

Mạch Colpitts gồm một mạch khuếch đại và một mạch hồi tiếp LC


Có cấu trúc phân chia tụ điện.

Tần số dao động của mạch

Hệ số hồi tiếp β

Điều kiện cân bằng biên độ βAV =1
1
2
o
T
f
LC
π
=
v
o
cc
+V
1
E
C
E
2
1
2
3
L
R

R
R
R
C
C
C
C
v
o
cc
+V
1
E
E
2
1
2
3
RFC
L
R
R
R
C
C
C
C
1 2
1 2
T

C C
C
C C
=
+
1
2
2 1
.
.
f
C
o C
V
I X
C
V I X C
β
= = =
1
2
v
C
A
C
=
Mạch tạo dao động 3 điểm
Mạch Clapp (mạch 3 điểm điện dung)

Dao động Clapp là một dạng thay đổi của dao động

Colpitts. Cuộn cảm trong mạch dao động Colpitts
được đổi thành mạch LC nối tiếp. Tại tần số cộng
hưởng, tổng trở của mạch này có tính cảm kháng.

Tần số dao động của mạch được tính theo công thức
sau:

Với CT = C1nt C2 nt C3

Do mạch L1C3 phải có tính cảm kháng tại tần sô
cộng hưởng nên C3 phải có giá trị nhỏ, thường là
nhỏ nhất trong 3 tụ (C1, C2, C3) và f0 gần như chỉ
phụ thuộc vào L1C3 mắc nối tiếp.

Hệ số của mạch khuếch đại là:

Sơ đồ mạch
1
2
o
T
f
LC
π
=
1
2
v
C
A

C
=
Mạch tạo dao động 3 điểm
Mạch Hartley (mạch 3 điểm điện cảm)

Tần số dao động

Trong đó LT= L1+L2+2M

Hệ số khuếch đại và hồi tiếp:

Nhược điểm là độ hỗ cảm giữa 2 cuộn dây dẫn đến
tạo ra các tần số không đoán trước được
2
1
2
E
E
+V
cc
o
v
1
1
L
L
C
C
C
R

R
R
RFC
1
2
o
T
f
L C
π
=
1
2
L M
L M
β
+
=
+
2
1
v
L M
A
L M
+
>
+
5.1.4 Mạch dao động sử dụng thạch anh


Là loại đá mờ trong tự nhiên, có nhiều hình dạng khác nhau

Tinh thể thạch anh sử dụng trong mạch dao động là một lát mỏng, diện tích khoảng một
vài cm2

Tính chất áp-điện:

Nếu chịu sự biến dạng cơ học sẽ xuất hiện một hiệu điện thế giữa hai mặt của
tinh thể
Nếu đặt một điện thế lên tinh thể sẽ xuất hiện sự biến dạng cơ học
Nếu đặt một điện thế xoay chiều lên 2 mặt của tinh thể  gây nên sự biến dạng
cơ học phụ thuộc vào điện thế tức thời  tạo nên một tín hiệu tuần hoàn theo
thời gian

Dao động thạch anh rất ổn định với nhiệt độ và thời gian

Tần số dao động của mạch chỉ phụ thuộc vào kích thước của tinh thể thạch anh, đặc biệt là
bề dày tinh thể
5.1.4 Mạch dao động sử dụng thạch anh

Sơ đồ tương đương của thạch anh


Cuộn cảm có hệ số tự cảm L rất lớn (cỡ vài trăm Henry)

Tụ điện Cs có giá trị điện dung rất nhỏ (cỡ vài fF)

Tụ điện Cp có giá trị khoảng vài pF

Hệ số phẩm chất Q cao, nên có thể bỏ qua giá trị của điện trở thuần r

Thạch anh có 2 tần số cộng hưởng
Tần số cộng hưởng nối tiếp
Tần số cộng hưởng song song
Do nên:
s
p
C
L
C
r
1
2
s
s
f
LC
π
=
1 1 1 1
2
p
s p
f
L C C
π
 
= × +
 ÷
 ÷
 

ps
CC
<<
s p
f f
≈
2
R
o
R
E
C 1
C C
v
1
C
C 2
+ V
1
R
R
Q
X C 3
Sơ đồ mạch dao động Pierce